JP5390631B2 - Nonvolatile memory element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、不揮発性記憶素子およびその製造方法に関し、特に抵抗変化型の不揮発性記憶素子およびその製造方法に関する技術である。   The present invention relates to a nonvolatile memory element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a variable resistance nonvolatile memory element and a method for manufacturing the same.

現在主流であるフローテイングゲートを用いたフラッシュメモリは、メモリセルの微細化に従い、隣接するセル同士のフローテイングゲート間の容量結合による干渉によってしきい値電圧(Vth)変動が生じるという課題がある。そこで、微細化に適した構成のメモリとして、抵抗変化を生じる層を電極で挟んだ抵抗変化型の不揮発性記憶素子の開発が進められている。この抵抗変化型の不揮発性素子は、抵抗層の電気抵抗を電気的刺激によって2値以上に切り替えられることを特徴としており、素子構造上および動作上の単純さから、微細化や低コスト化が可能である不揮発性素子として期待されている。   A flash memory using a floating gate, which is currently mainstream, has a problem that a threshold voltage (Vth) fluctuation occurs due to interference due to capacitive coupling between floating gates of adjacent cells as the memory cell becomes finer. . Therefore, as a memory having a structure suitable for miniaturization, development of a resistance change type nonvolatile memory element in which a layer causing resistance change is sandwiched between electrodes is underway. This variable resistance nonvolatile element is characterized in that the electric resistance of the resistance layer can be switched to two or more values by electrical stimulation, and miniaturization and cost reduction are possible due to the simplicity of the element structure and operation. It is expected as a non-volatile element that is possible.

印加される電圧によって抵抗が変化する層(抵抗変化層)としては、遷移金属から形成される郡から選択される元素の酸化物があり、ニッケル酸化物(NiO)、バナジウム酸化物(V)、亜鉛酸化物(ZnO)、ニオブ酸化物(Nb)、チタン酸化物(TiO)、タングステン酸化物(WO)、コバルト酸化物(CoO)、タンタル酸化物(Ta)などがある。また、抵抗変化層としては、Ni、Ti、Ta、Hf、Nb、Zn、W、Co等からなる化学量論的組成からずれた組成を有する金属酸化物がある。As a layer whose resistance is changed by an applied voltage (resistance change layer), there is an oxide of an element selected from a group formed from a transition metal, such as nickel oxide (NiO), vanadium oxide (V 2 O). 5 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), cobalt oxide (CoO), tantalum oxide (Ta 2 O) 5 ). The variable resistance layer includes a metal oxide having a composition deviating from a stoichiometric composition made of Ni, Ti, Ta, Hf, Nb, Zn, W, Co, or the like.

抵抗変化の動作原理は不明であるが、抵抗変化層に電圧を印加することにより、抵抗変化層中にフィラメントと称される電流経路が形成され、このフィラメントと上下電極間の接続状態により素子の抵抗が変化するという原理や、電極と抵抗変化層の界面における酸素原子の移動により抵抗変化層の抵抗が変化するという原理が報告されている。   The operating principle of resistance change is unknown, but when a voltage is applied to the resistance change layer, a current path called a filament is formed in the resistance change layer. The principle that the resistance changes and the principle that the resistance of the resistance change layer changes due to the movement of oxygen atoms at the interface between the electrode and the resistance change layer have been reported.

図12は、特許文献1を参照し、従来の抵抗変化型の不揮発性記憶素子(ReRAM:ResistiveRandom Access Memory)の断面構造を示す概略図である。一般的なReRAMの抵抗変化素子(メモリ素子)610は、層間絶縁膜611上に形成された下部電極612と上部電極614の間に、抵抗変化膜(たとえば遷移金属酸化物膜)613を挟み込んだ平行平板型積層構造をしている。上部電極614と下部電極612の間に電圧を印加すると、抵抗変化膜613の電気抵抗が変化して、2つの異なる抵抗状態(リセット状態、セット状態)をとる。なお、特許文献2には、上部電極614としてPt、下部電極612として、Ru、Ti、Al、Ta、Cu、WおよびNiから選ばれる少なくとも1種の元素を含む材料を用いることが記載されている。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a conventional variable resistance nonvolatile memory element (ReRAM: Resistive Random Access Memory) with reference to Patent Document 1. A general ReRAM resistance change element (memory element) 610 includes a resistance change film (for example, a transition metal oxide film) 613 sandwiched between a lower electrode 612 and an upper electrode 614 formed on an interlayer insulating film 611. It has a parallel plate type laminated structure. When a voltage is applied between the upper electrode 614 and the lower electrode 612, the electric resistance of the resistance change film 613 is changed to take two different resistance states (reset state and set state). Note that Patent Document 2 describes that the upper electrode 614 is made of Pt, and the lower electrode 612 is made of a material containing at least one element selected from Ru, Ti, Al, Ta, Cu, W, and Ni. Yes.

抵抗変化素子610の動作メカニズムは、まず2つの抵抗状態間を電気的に遷移可能にするための初期動作として、フォーミング電圧を印加する。フォーミング電圧の印加によって、抵抗変化膜613に電流パスとなるフィラメントが形成され得る状態にする。その後、動作電圧(セット電圧及びリセット電圧)の印加によって、該フィラメントの発生状態を変化させて、セット/リセット動作、即ち、書込みと消去を実行する。抵抗変化素子610の動作領域の面積が大きいほどフィラメント数も増加するが、フィラメント数が増加するとリセット電流の制御にばらつきが生じ、その結果、メモリとしての動作もばらつく。高密度化の要請からだけではなく、安定した信頼性の高い動作を実現するには、抵抗変化素子610の動作面積は小さい方が望ましい。しかし、上述のように、従来の構造では、フォトリソグラフィ技術の加工精度によって微細化が制限される。   The operation mechanism of the resistance change element 610 first applies a forming voltage as an initial operation for enabling an electrical transition between two resistance states. By applying the forming voltage, the variable resistance film 613 is in a state in which a filament serving as a current path can be formed. Thereafter, the generation state of the filament is changed by application of operating voltages (set voltage and reset voltage), and set / reset operations, that is, writing and erasing are executed. The larger the area of the variable resistance element 610, the greater the number of filaments. However, as the number of filaments increases, the reset current control varies, and as a result, the operation as a memory varies. In order to realize a stable and reliable operation as well as a demand for higher density, it is desirable that the operating area of the resistance change element 610 be smaller. However, as described above, in the conventional structure, miniaturization is limited by the processing accuracy of the photolithography technique.

また、非特許文献1には、上下電極としてPtを用い、抵抗変化層がNiOからなる不揮発性記憶装置が提案されており、Ni酸化物中にフィラメントと称される電流経路が形成され、抵抗が変化すると述べられている。また、非特許文献2には、上下電極としてPtを用い、抵抗変化層がTaOxからなる不揮発性記憶装置が提案されており、Pt電極とTaOxの界面層における酸素原子の移動により抵抗が変化すると述べられている。   Non-Patent Document 1 proposes a nonvolatile memory device in which Pt is used as the upper and lower electrodes and the resistance change layer is made of NiO. A current path called a filament is formed in the Ni oxide, and the resistance is changed. Is said to change. Non-Patent Document 2 proposes a nonvolatile memory device in which Pt is used as the upper and lower electrodes and the resistance change layer is made of TaOx, and the resistance changes due to the movement of oxygen atoms in the interface layer between the Pt electrode and TaOx. It is stated.

また、電極材料としてエッチング加工が容易な窒化チタン電極を用いた抵抗変化素子に関する技術が注目されている。非特許文献3には下部電極としてPtを用い、抵抗変化層としてHfOxやHfAlOxを用い、上部電極としてTiNからなる不揮発性記憶装置が提案されており、抵抗変化層としてHfAlOxを用いることにより、動作電圧のバラツキが抑制できると述べられている。また、非特許文献4には、TiN/Ti/HfO2/TiN積層構造を酸素アニールによりTiN/TiOx/HfOx/TiNからなる積層構造を作製することで、抵抗変化動作が実現できると述べられている。   Further, a technique relating to a resistance change element using a titanium nitride electrode that can be easily etched as an electrode material has attracted attention. Non-Patent Document 3 proposes a non-volatile memory device using Pt as the lower electrode, HfOx or HfAlOx as the resistance change layer, and TiN as the upper electrode, and operates by using HfAlOx as the resistance change layer. It is stated that voltage variations can be suppressed. Further, Non-Patent Document 4 states that a resistance change operation can be realized by forming a TiN / Ti / HfO2 / TiN laminated structure of TiN / TiOx / HfOx / TiN by oxygen annealing. .

特開2009−141275号公報JP 2009-141275 A 特許第3919205号公報Japanese Patent No. 3919205

APPLIEDPHYSICS LETTERS 86,093509(2005)APPLYEDPHYSICS LETTERS 86,093509 (2005) Internationalelectron devices meeting technical digest,2008,P293〜P296Internationalelectron devices meeting technical digest, 2008, P293-P296 Symposiumon VLSI technology digest of technical papers,2009.p30〜P31Symposium VLSI technology digiest of technical papers, 2009. p30-P31 Internationalelectron devices meeting technical digest,2008,P297〜P300Internationalelectron devices meeting technical digest, 2008, P297-P300

しかしながら、上述の技術にはそれぞれ以下のような課題が存在する。第1に非特許文献1のように抵抗変化素子の電極としてPt電極を用いる技術は、電極の酸化により素子特性の動作不安定性を抑制する点では効果的であるが、電極加工プロセスにおけるエッチングが困難であることや材料コストの低減が困難であるという課題がある。第2に非特許文献4に記載の方法において、電極材料としてTiN電極を用いる技術は、エッチングの容易性や材料コストの低減に効果的であるが、TiNの酸化による素子特性の劣化が懸念され、また、TiN電極の最適な形態の範囲に関して何も述べられていないという課題がある。第3に、特許文献2に記載のように、上部電極材料としてPt、下部電極材料としてTiを用いる技術は、上部電極を構成するPt電極の可能性が困難であることや下部電極材料の酸化による素子特性の劣化が懸念されるという課題がある。   However, each of the above-described techniques has the following problems. First, the technique of using a Pt electrode as an electrode of a resistance change element as in Non-Patent Document 1 is effective in suppressing the operational instability of element characteristics due to the oxidation of the electrode, but etching in the electrode processing process is effective. There is a problem that it is difficult and it is difficult to reduce material costs. Secondly, in the method described in Non-Patent Document 4, the technique of using a TiN electrode as an electrode material is effective in reducing etching ease and material cost. However, there is a concern about deterioration of device characteristics due to oxidation of TiN. Moreover, there is a problem that nothing is described regarding the range of the optimum form of the TiN electrode. Thirdly, as described in Patent Document 2, the technique using Pt as the upper electrode material and Ti as the lower electrode material makes it difficult to use the Pt electrode constituting the upper electrode, and the oxidation of the lower electrode material. There is a problem that there is a concern about deterioration of element characteristics due to the above.

本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、その目的とするところは、可変抵抗層を有する不揮発性半導体装置において、素子の電気特性の劣化の発生を低減し、電極加工が容易で低コスト化が可能な不揮発性記憶素子、ならびにその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made with respect to the above-described conventional problems. The object of the present invention is to reduce the occurrence of deterioration of the electrical characteristics of the element in the nonvolatile semiconductor device having the variable resistance layer, and to process the electrode. An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory element that can be easily manufactured at low cost, and a method for manufacturing the same.

上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。   The configuration of the present invention made to achieve the above object is as follows.

即ち、本発明は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含む不揮発性記憶素子において、前記第1の電極と前記第2の電極の少なくともどちらか一方の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極であって、前記金属窒化物層の少なくとも前記可変抵抗層と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層からなることを特徴とする。   That is, the present invention relates to a variable resistor that changes its resistance value between two different resistance states sandwiched between the first electrode, the second electrode, and the first electrode and the second electrode. In the nonvolatile memory element including the layer, at least one of the first electrode and the second electrode is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N, and the metal From the metal nitride layer in which the molar ratio (N / Ti ratio) of Ti and N in the nitride layer at least in the portion in contact with the variable resistance layer is 1.15 or more and the film density is 4.7 g / cc or more It is characterized by becoming.

また、本発明は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含む不揮発性記憶素子の製造方法であって、前記第1の電極と前記第2の電極の少なくともどちらか一方の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極であって、前記金属窒化物層の少なくとも前記可変抵抗層と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.1以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配向性Xが1.2<Xの範囲である金属窒化物層を形成する工程を含むことを特徴とする。   In addition, the present invention provides a variable resistor that changes its resistance value between two different resistance states sandwiched between the first electrode, the second electrode, and the first electrode and the second electrode. A method of manufacturing a nonvolatile memory element including a layer, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N The molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of at least a portion in contact with the variable resistance layer of the metal nitride layer is 1.1 or more, and the film density is 4.7 g / cc or more. And a step of forming a metal nitride layer having a crystal orientation X in the range of 1.2 <X.

本発明によれば、TiNの膜組成、膜密度、結晶配向性を制御することで、抵抗変化型不揮発半導体素子に適した電極を実現することができる。   According to the present invention, an electrode suitable for a resistance variable nonvolatile semiconductor element can be realized by controlling the film composition, film density, and crystal orientation of TiN.

本発明の実施形態に係る素子構造の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the element structure which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る窒化チタン膜の形成工程に用いられる処理装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the processing apparatus used for the formation process of the titanium nitride film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る窒化チタン膜の膜組成と膜密度および実効仕事関数の関係を示す図である。It is a figure which shows the film composition of the titanium nitride film concerning embodiment of this invention, the film density, and the relationship of an effective work function. 本発明の実施形態に係る窒化チタン膜のXRD回折スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XRD diffraction spectrum of the titanium nitride film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る窒化チタン膜のXRD回折スペクトルにおけるピーク強度比と膜組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the peak intensity ratio and film | membrane composition in the XRD diffraction spectrum of the titanium nitride film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る窒化チタン膜のSEMによる観測像を示す図である。It is a figure which shows the observation image by SEM of the titanium nitride film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施例1に係る素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the element based on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る素子の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the element which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る素子のエンデュランス特性を示す図である。It is a figure which shows the endurance characteristic of the element which concerns on Example 1 of this invention. 図2記載の処理装置を制御する制御装置400の模式図である。It is a schematic diagram of the control apparatus 400 which controls the processing apparatus of FIG. 図10記載の制御機構400の内部構成を示した図である。It is the figure which showed the internal structure of the control mechanism 400 of FIG. 従来の抵抗変化型の不揮発性記憶素子(ReRAM:Resistive RandomAccess Memory)の断面構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the cross-section of the conventional variable resistance non-volatile memory element (ReRAM: Resistive Random Access Memory).

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明者らは、可変抵抗層と、第1および第2の電極としてTiとNを含有する金属窒化物層からなる電極を有する抵抗変化型不揮発性半導体装置において、抵抗変化に適した窒化チタン膜構造を鋭意検討した結果、金属窒化物層の少なくとも可変抵抗層と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配性Xが1.1<Xの範囲に設定された窒化チタン膜を適用することにより、高い抵抗変化比を有する抵抗変化型の不揮発性半導体装置を実現できることを発見した。ここで、本発明において、「結晶配向性」とは、TiとNを含有する金属窒化物層のX線回折スペクトルにおける(200)ピーク強度と(111)ピーク強度の比(C(200)/C(111))をいう。   In the variable resistance nonvolatile semiconductor device having a variable resistance layer and an electrode made of a metal nitride layer containing Ti and N as first and second electrodes, titanium nitride suitable for resistance change As a result of diligent examination of the film structure, the molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of at least the portion in contact with the variable resistance layer of the metal nitride layer is 1.15 or more, and the film density is 4.7 g / cc. It has been found that a variable resistance nonvolatile semiconductor device having a high resistance change ratio can be realized by applying a titanium nitride film that has the above-described crystal orientation X in a range of 1.1 <X. . Here, in the present invention, “crystal orientation” means the ratio of (200) peak intensity to (111) peak intensity in the X-ray diffraction spectrum of a metal nitride layer containing Ti and N (C (200) / C (111)).

本発明の一実施形態における抵抗変化素子に適した窒化チタン膜の形態について、図1の抵抗変化素子を例に取り説明する。図1に示すように、表面にシリコン酸化膜を有する下地基板1上に第1の電極である窒化チタン膜2と、窒化チタン膜2上に可変抵抗層3と、可変抵抗層3上に第2の電極である窒化チタン膜4が形成されている。   The form of the titanium nitride film suitable for the variable resistance element according to one embodiment of the present invention will be described using the variable resistance element of FIG. 1 as an example. As shown in FIG. 1, a titanium nitride film 2 as a first electrode is formed on a base substrate 1 having a silicon oxide film on the surface, a variable resistance layer 3 is formed on the titanium nitride film 2, and a first layer is formed on the variable resistance layer 3. A titanium nitride film 4 as the second electrode is formed.

図2に、本発明の一実施形態における第1の電極を構成する窒化チタン膜の形成工程に用いられる処理装置の概略を示す。   FIG. 2 shows an outline of a processing apparatus used in the process of forming a titanium nitride film constituting the first electrode in one embodiment of the present invention.

成膜処理室100はヒータ101によって所定の温度に加熱できるようになっている。被処理基板102は、基板支持台103に組み込まれた、サセプタ104を介して、ヒータ105によって所定の温度に加熱できるようになっている。基板支持台103は、膜厚の均一性の観点から所定の回転数で回転できることが好ましい。成膜処理室内には、ターゲット106が被処理基板102を望む位置に設置されている。ターゲット106は、Cu等の金属から出来ているバックプレート107を介してターゲットホルダー108に設置されている。なお、ターゲット106とバックプレート107を組み合わせたターゲット組立体の外形を一つの部品としてターゲット材料で作成し、これをターゲットとして取り付けても構わない。つまり、ターゲットがターゲットホルダーに設置された構成でも構わない。Cu等の金属製のターゲットホルダー108には、スパッタ放電用電力を印加する直流電源110が接続されており、絶縁体109により接地電位の成膜処理室100の壁から絶縁されている。スパッタ面から見たターゲット106の背後には、マグネトロンスパッタリングを実現するためのマグネット111が配設されている。マグネット111は、マグネットホルダー112に保持され、図示しないマグネットホルダー回転機構により回転可能となっている。ターゲットのエロージョンを均一にするため、放電中には、このマグネット111は回転している。ターゲット106は、基板102に対して斜め上方のオフセット位置に設置されている。すなわち、ターゲット106のスパッタ面の中心点は、基板102の中心点の法線に対して所定の寸法ずれた位置にある。ターゲット106と処理基板102の間には、遮蔽板116が配置され、電力が供給されたターゲット106から放出されるスパッタ粒子による処理基板102上への成膜を制御している。   The film forming chamber 100 can be heated to a predetermined temperature by a heater 101. The substrate 102 to be processed can be heated to a predetermined temperature by a heater 105 via a susceptor 104 incorporated in a substrate support base 103. It is preferable that the substrate support 103 can be rotated at a predetermined rotational speed from the viewpoint of film thickness uniformity. In the film formation chamber, a target 106 is installed at a position where the target substrate 102 is desired. The target 106 is installed on the target holder 108 via a back plate 107 made of a metal such as Cu. It should be noted that the outer shape of the target assembly in which the target 106 and the back plate 107 are combined may be made of a target material as a single component and attached as a target. That is, a configuration in which the target is installed on the target holder may be used. A direct current power source 110 for applying power for sputtering discharge is connected to the target holder 108 made of metal such as Cu, and is insulated from the wall of the film formation processing chamber 100 at the ground potential by an insulator 109. A magnet 111 for realizing magnetron sputtering is disposed behind the target 106 as viewed from the sputtering surface. The magnet 111 is held by a magnet holder 112 and can be rotated by a magnet holder rotation mechanism (not shown). In order to make the erosion of the target uniform, the magnet 111 rotates during discharge. The target 106 is installed at an offset position obliquely above the substrate 102. That is, the center point of the sputtering surface of the target 106 is at a position that is shifted by a predetermined dimension with respect to the normal line of the center point of the substrate 102. A shielding plate 116 is disposed between the target 106 and the processing substrate 102 to control film formation on the processing substrate 102 by sputtered particles emitted from the target 106 to which power is supplied.

ターゲットとして、例えば、Tiの金属ターゲット106を用いることができる。窒化チタン膜の堆積は、金属ターゲット106に、それぞれ直流電源110より、ターゲットホルダー108およびバックプレート107を介して電力を供給することにより実施される。この際、不活性ガスが、不活性ガス源201から、バルブ202、マスフローコントローラ203、バルブ204を介してターゲット付近から処理室100に導入される。また、窒素からなる反応性ガスは、窒素ガス源205から、バルブ206、マスフローコントローラ207、バルブ208を介して処理室100内の基板付近に導入される。導入された不活性ガスおよび反応性ガスは、コンダクタンスバルブ117を介して、排気ポンプ118によって排気される。   As the target, for example, a Ti metal target 106 can be used. The deposition of the titanium nitride film is performed by supplying electric power to the metal target 106 from the DC power source 110 via the target holder 108 and the back plate 107, respectively. At this time, an inert gas is introduced into the processing chamber 100 from the vicinity of the target from the inert gas source 201 through the valve 202, the mass flow controller 203, and the valve 204. A reactive gas composed of nitrogen is introduced from the nitrogen gas source 205 to the vicinity of the substrate in the processing chamber 100 through the valve 206, the mass flow controller 207, and the valve 208. The introduced inert gas and reactive gas are exhausted by the exhaust pump 118 via the conductance valve 117.

本発明の一実施形態における窒化チタンの堆積は、スパッタリングガスとしてアルゴン、反応性ガスとして窒素を用いる。基板温度は、27℃〜600℃、ターゲットパワーは50W〜1000W、スパッタガス圧は0.2Pa〜1.0Pa、Ar流量は0sccm(standard cc/min)〜100sccm、窒素ガス流量は0sccm〜100sccm、の範囲で適宜決定することができる。ここでは、基板温度30℃、Tiのターゲットパワー750W、スパッタガス圧0.2Paとしアルゴンガス流量を0sccm〜20sccm、窒素ガス流量を2sccm〜50sccmの範囲で変化させて堆積した。窒化チタン膜中のTi元素とN元素のモル比率および結晶配向性をスパッタリング時に導入するアルゴンと窒素の混合比率により調整することができる。尚、本明細書中における「モル比率」とは、物質量の基本単位であるモル数の比率をいう。Ti元素とN元素のモル比率は、例えば、X線光電子分光法により物質内にある固有の電子の結合エネルギー、電子のエネルギー準位と電子の強度分布から測定することができる。   Titanium nitride deposition in one embodiment of the present invention uses argon as the sputtering gas and nitrogen as the reactive gas. The substrate temperature is 27 ° C. to 600 ° C., the target power is 50 W to 1000 W, the sputtering gas pressure is 0.2 Pa to 1.0 Pa, the Ar flow rate is 0 sccm (standard cc / min) to 100 sccm, the nitrogen gas flow rate is 0 sccm to 100 sccm, It can be determined as appropriate within the range. Here, deposition was performed at a substrate temperature of 30 ° C., a Ti target power of 750 W, a sputtering gas pressure of 0.2 Pa, an argon gas flow rate of 0 sccm to 20 sccm, and a nitrogen gas flow rate of 2 sccm to 50 sccm. The molar ratio of Ti element and N element in the titanium nitride film and the crystal orientation can be adjusted by the mixing ratio of argon and nitrogen introduced during sputtering. In the present specification, the “molar ratio” refers to the ratio of the number of moles, which is the basic unit of the substance amount. The molar ratio between the Ti element and the N element can be measured, for example, from X-ray photoelectron spectroscopy based on the binding energy of electrons inherent in the substance, the energy level of electrons, and the electron intensity distribution.

次に、第1の電極2の形成工程に用いる成膜装置と同様の成膜装置にて可変抵抗層3を形成する。可変抵抗層3として用いられる材料としては、遷移金属から形成される群から選択される1つ又は2つ以上の元素を含む酸化物があり、例えば、ニッケル酸化物(NiO)、バナジウム酸化物(V)、亜鉛酸化物(ZnO)、ニオブ酸化物(Nb)、チタン酸化物(TiO)、タングステン酸化物(WO)、コバルト酸化物(CoO)、タンタル酸化物(Ta)などが挙げられる。また、可変抵抗層3として用いられる材料としては、例えば、Ni、Ti、Ta、Hf、Nb、Zn、W、Co等からなる化学量論的組成からずれた組成を有する金属酸化物が挙げられる。また、HfとAlを含有した金属酸化物が挙げられる。ここでは、Hfの金属ターゲットとAlの金属ターゲットを用い、HfとAlを含有した金属層を堆積した。Next, the variable resistance layer 3 is formed by a film forming apparatus similar to the film forming apparatus used in the step of forming the first electrode 2. Examples of the material used for the variable resistance layer 3 include oxides containing one or more elements selected from the group formed of transition metals, such as nickel oxide (NiO), vanadium oxide ( V 2 O 5 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), cobalt oxide (CoO), tantalum oxide ( Ta 2 O 5 ). Examples of the material used for the variable resistance layer 3 include metal oxides having a composition deviating from the stoichiometric composition composed of Ni, Ti, Ta, Hf, Nb, Zn, W, Co, and the like. . Moreover, the metal oxide containing Hf and Al is mentioned. Here, a metal layer containing Hf and Al was deposited using an Hf metal target and an Al metal target.

次に、堆積したHfとAlを含有した金属膜に酸素雰囲気中300℃〜600℃の範囲でアニール処理を施すことにより金属酸化物からなる可変抵抗層を形成する。酸素雰囲気中でのアニール処理は、金属膜を酸化させるため300℃以上が好ましい。また、第1の電極を構成する窒化チタン膜の酸化による素子特性の低下を抑制するため600℃以下が好ましい。600℃以上のアニール処理では、窒化チタン膜が酸化され、抵抗変化が生じなくなる。   Next, the deposited metal film containing Hf and Al is annealed in an oxygen atmosphere in the range of 300 ° C. to 600 ° C. to form a variable resistance layer made of a metal oxide. The annealing treatment in an oxygen atmosphere is preferably 300 ° C. or higher in order to oxidize the metal film. Further, the temperature is preferably 600 ° C. or lower in order to suppress deterioration of device characteristics due to oxidation of the titanium nitride film constituting the first electrode. In the annealing process at 600 ° C. or higher, the titanium nitride film is oxidized and resistance change does not occur.

次に、第2の電極4として窒化チタン膜を第1の電極2の形成工程と同様の方法により堆積する。   Next, a titanium nitride film is deposited as the second electrode 4 by the same method as in the step of forming the first electrode 2.

次に、リソグラフィー技術とRIE(Reactive Ion Etching)技術を用いてTiN膜を所望の大きさに加工し素子を形成する。堆積した窒化チタン膜の組成は、X線光電子分光(XPS:X−rayPhotoelectron Spectroscopy)法により分析した。また、窒化チタン膜の結晶配向性はX線回折(XRD:X−ray Diffraction)法により分析した。また、膜密度はX線反射率(X−RayReflect meter)法により分析した。また、作製した素子の抵抗変化特性をI−V測定により評価した。   Next, the TiN film is processed into a desired size using a lithography technique and an RIE (Reactive Ion Etching) technique to form an element. The composition of the deposited titanium nitride film was analyzed by an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method. In addition, the crystal orientation of the titanium nitride film was analyzed by an X-ray diffraction (XRD: X-ray Diffraction) method. The film density was analyzed by the X-ray reflectometer method. Moreover, the resistance change characteristic of the produced element was evaluated by IV measurement.

図3に、本発明の一実施形態における窒化チタン膜の窒素NとチタンTiの膜組成(N/Ti比:図中の●に対応)および窒化チタン膜の酸素OとチタンTiの膜組成(O/Ti比:図中の□に対応)と膜密度の関係を示す。本実施形態において作製した抵抗変化素子のスイッチング特性を評価した結果、図中に示される膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ膜組成N/Ti比が1.15以上の領域において抵抗変化によるスイッチング動作が得られることを確認した。一方、膜密度が4.7g/ccより小さく、かつ膜組成N/Ti比が1.15より小さい領域では、抵抗変化によるスイッチング動作が得られなかった。これは、図3中に示される膜組成O/Ti比が、膜密度が4.7g/ccより小さくかつ膜組成N/Ti比が小さい領域では、増加することに起因していると考えられる。即ち、可変抵抗変化層中の酸素がある程度窒化チタン膜中に移動すると、電圧印加による抵抗変化が生じなくなることを示唆している。   FIG. 3 shows a film composition of nitrogen N and titanium Ti of the titanium nitride film (N / Ti ratio: corresponding to ● in the figure) and a film composition of oxygen O and titanium Ti of the titanium nitride film in one embodiment of the present invention ( (O / Ti ratio: corresponding to □ in the figure) and the film density. As a result of evaluating the switching characteristics of the variable resistance element manufactured in the present embodiment, the resistance in a region where the film density shown in the figure is 4.7 g / cc or more and the film composition N / Ti ratio is 1.15 or more. It was confirmed that switching operation by change was obtained. On the other hand, in the region where the film density is smaller than 4.7 g / cc and the film composition N / Ti ratio is smaller than 1.15, the switching operation due to the resistance change cannot be obtained. This is considered to be because the film composition O / Ti ratio shown in FIG. 3 increases in the region where the film density is smaller than 4.7 g / cc and the film composition N / Ti ratio is small. . That is, it is suggested that when the oxygen in the variable resistance change layer moves into the titanium nitride film to some extent, the resistance change due to voltage application does not occur.

次に、図3中に示される条件A(アルゴンガス流量10sccm、窒素ガス流量10sccm)、条件B(アルゴンガス流量0sccm、窒素ガス流量50sccm)および条件C(アルゴンガス流量13.5sccm、窒素ガス流量6sccm)にて堆積した窒化チタン膜のXRDスペクトルを図4に示す。図4中のC(111)、C(200)およびC(220)はそれぞれ窒化チタン膜の結晶面、(111)面、(200)面、(220)面を表している。図に示されるように、本発明の一実施形態における抵抗変化動作が得られる窒化チタン膜は、(200)面の結晶配向性が高い結晶構造を有している。   Next, condition A (argon gas flow rate 10 sccm, nitrogen gas flow rate 10 sccm), condition B (argon gas flow rate 0 sccm, nitrogen gas flow rate 50 sccm) and condition C (argon gas flow rate 13.5 sccm, nitrogen gas flow rate) shown in FIG. FIG. 4 shows an XRD spectrum of the titanium nitride film deposited at 6 sccm). C (111), C (200), and C (220) in FIG. 4 represent the crystal plane, (111) plane, (200) plane, and (220) plane of the titanium nitride film, respectively. As shown in the figure, the titanium nitride film capable of changing the resistance in one embodiment of the present invention has a crystal structure with high crystal orientation on the (200) plane.

図5に、本発明の一実施形態における窒化チタン膜の膜組成(N/Ti比)と図4に示されるXRDスペクトルにおける(111)面と(200)面のピーク強度比C(200)/C(111)との関係を示す。図5に示されるように、本発明の一実施形態における抵抗変化動作が得られる膜組成N/Ti比が1.15以上の窒化チタン膜は、ピーク強度比(結晶配向性)が1.2以上を有している。ここで、ピーク強度比(結晶配向性)が1.2以上と高い窒化チタン膜のモフォロジーをSEM(scanning electron microscope)による断面および表面観測により評価した。図6に、条件Aにより堆積した窒化チタン膜のSEMによる観測像を示す。図6に示されるように、本発明の一実施形態における窒化チタン膜は、20nm以下のグレインサイズの柱状構造を有し、表面平坦性に優れていることが確認できる。このグレインサイズが小さく、かつ表面平坦性に優れていることにより、結晶粒界に起因したリーク電流が抑制され、抵抗変化素子に必要な高い抵抗変化比が得られると考えられる。また、グレインサイズが小さく緻密な結晶構造を有していることが、膜密度の向上につながっていると考えられる。   FIG. 5 shows the film composition (N / Ti ratio) of the titanium nitride film in one embodiment of the present invention, and the peak intensity ratio C (200) / (111) face and (200) face in the XRD spectrum shown in FIG. The relationship with C (111) is shown. As shown in FIG. 5, the titanium nitride film having a film composition N / Ti ratio of 1.15 or more with which resistance change operation can be obtained in one embodiment of the present invention has a peak intensity ratio (crystal orientation) of 1.2. It has the above. Here, the morphology of the titanium nitride film having a peak intensity ratio (crystal orientation) as high as 1.2 or higher was evaluated by cross-section and surface observation by SEM (scanning electron microscope). FIG. 6 shows a SEM observation image of the titanium nitride film deposited under the condition A. As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the titanium nitride film in one embodiment of the present invention has a columnar structure with a grain size of 20 nm or less and is excellent in surface flatness. This small grain size and excellent surface flatness are considered to suppress the leakage current caused by the crystal grain boundary and obtain a high resistance change ratio necessary for the resistance change element. Further, it is considered that the fact that the grain size is small and the crystal structure is dense leads to the improvement of the film density.

以上の結果より、本発明の一実施形態における窒化チタン膜は、抵抗変化動作を得るため窒化チタン膜内のTiとNのモル比率は1.15以上であることが好ましく、更に膜密度は4.7g/cc以上が好ましい。また、金属窒化物層の結晶配向性を表すXRDスペクトルにおけるC(220)/C(111)ピーク強度比Xは、1.2以上であることが好ましい。   From the above results, in the titanium nitride film in one embodiment of the present invention, the molar ratio of Ti and N in the titanium nitride film is preferably 1.15 or more in order to obtain a resistance change operation, and the film density is 4 0.7 g / cc or more is preferable. The C (220) / C (111) peak intensity ratio X in the XRD spectrum representing the crystal orientation of the metal nitride layer is preferably 1.2 or more.

また、本発明の一実施形態における窒化チタン膜の堆積工程は、可変抵抗層3へのプラズマダメージによる素子特性の悪化を抑制し、かつ組成および結晶配向成を制御するため、図2に示されるような、ターゲット106が基板102に対して斜め上方のオフセット位置に設置された真空容器100内において、窒素からなる反応性ガスと不活性ガス(例えば、アルゴン)の混合雰囲気下においてTiターゲット106をマグネトロンスパッタする工程であり、金属窒化物層のTiとNのモル比率が1.15以上であり、かつ結晶配向性X1が1.2<Xの範囲を満たすように窒素ガスと不活性ガスの混合比率を設定することが好ましい。   Further, the titanium nitride film deposition step in one embodiment of the present invention is shown in FIG. 2 in order to suppress deterioration of device characteristics due to plasma damage to the variable resistance layer 3 and to control composition and crystal orientation. In the vacuum vessel 100 in which the target 106 is installed at an offset position obliquely above the substrate 102, the Ti target 106 is placed in a mixed atmosphere of a reactive gas composed of nitrogen and an inert gas (for example, argon). A step of performing magnetron sputtering, in which the molar ratio of Ti and N in the metal nitride layer is 1.15 or more, and the nitrogen gas and the inert gas are mixed so that the crystal orientation X1 satisfies the range of 1.2 <X. It is preferable to set the mixing ratio.

また、上記説明では、可変抵抗層3としてHfとAlを含有する素子について述べたが、これに限定されるものではなく、本発明の効果は、可変抵抗層3としてNi、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つを含む金属酸化物を用いても得られる。   In the above description, the element containing Hf and Al is described as the variable resistance layer 3, but the present invention is not limited to this, and the effect of the present invention is Ni, Ti, Ta, Hf as the variable resistance layer 3. , Zr, V, Zn, Nb, W, or a metal oxide containing at least one of Co can also be used.

また、可変抵抗層3の形成工程として、Hfターゲット106にAlターゲット106を用いてHfとAlの金属膜を含む積層膜を形成した後、酸素雰囲気中で300℃〜600℃のアニール処理を実施する方法を用いてもよい。   In addition, as a step of forming the variable resistance layer 3, an Al target 106 is used as the Hf target 106 to form a laminated film including a metal film of Hf and Al, and then an annealing process is performed at 300 ° C. to 600 ° C. in an oxygen atmosphere. You may use the method to do.

また、可変抵抗層3の形成工程として、Hfターゲット106とAlターゲット106のコスパッタリングを用いてHfとAlを含有する金属膜を堆積した後、酸素雰囲気中で300℃〜600℃のアニール処理を実施する方法を用いてもよい。   Further, as a step of forming the variable resistance layer 3, after depositing a metal film containing Hf and Al using co-sputtering of the Hf target 106 and the Al target 106, an annealing process at 300 ° C. to 600 ° C. is performed in an oxygen atmosphere. The method of implementation may be used.

また、可変抵抗層3の形成工程として、Hfターゲット106とAlターゲット106を酸素からなる反応性ガスと不活性ガスの混合雰囲気下においてマグネトロンスパッタする工程を用いてもよい。   Further, as the step of forming the variable resistance layer 3, a step of performing magnetron sputtering of the Hf target 106 and the Al target 106 in a mixed atmosphere of a reactive gas composed of oxygen and an inert gas may be used.

また、可変抵抗層3の形成工程として、Ni、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属膜およびその積層膜を堆積した後、酸素雰囲気中で300℃〜600℃のアニール処理を行ってもよい。   Further, as a step of forming the variable resistance layer 3, after depositing a metal film selected from at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W or Co and a laminated film thereof, oxygen An annealing treatment at 300 ° C. to 600 ° C. may be performed in an atmosphere.

また、可変抵抗層3の形成工程として、Ni、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属ターゲットを酸素からなる反応性ガスと不活性ガスの混合雰囲気下においてマグネトロンスパッタする工程を用いてもよい。   Further, as a step of forming the variable resistance layer 3, a metal target selected from at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W, or Co is used as a reactive gas composed of oxygen and inert. A step of performing magnetron sputtering in a mixed gas atmosphere may be used.

なお、上記の説明では、第1の電極および第2の電極として窒化チタン膜を有する抵抗変化素子の構造について述べたが、これに限定されるものではなく、少なくともどちらか一方の電極に本発明の条件を満たす窒化チタン膜が含まれていれば、十分にその効果を得ることができる。その場合、一方の電極としては、Pt、Ru、W、Irのいずれかの金属を含む電極を選択することができる。   In the above description, the structure of the variable resistance element having the titanium nitride film as the first electrode and the second electrode has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to at least one of the electrodes. If the titanium nitride film satisfying the above condition is included, the effect can be sufficiently obtained. In that case, as one of the electrodes, an electrode containing any one of Pt, Ru, W, and Ir can be selected.

次に、本実施形態の第1の電極2又は第2の電極4の材料である窒化チタン膜の形成工程に使用する図2記載の処理装置を制御するための制御装置400について説明する。図10は、図2記載の処理装置を制御する制御装置400の模式図である。バルブ202、204、206、208はそれぞれ制御用入出力ポート500、501、502、503を介して制御装置400によって開閉制御ができる。また、マスフローコントローラ203、207はそれぞれ制御用入出力ポート504、505を介して制御装置400によって流量の調節ができる。また、コンダクタンスバルブ117は、制御用入出力ポート506を介して制御装置400によって開度の調節ができる。また、ヒータ105は、入出力ポート507を介して制御装置400によって温度の調節ができる。また、基板支持台103の回転状態は、入出力ポート508を介して制御装置400によって回転数の調節ができる。また、直流電源110は、入出力ポート509を介して制御装置400によって周波数ならびに供給電力が調節できる。   Next, a control device 400 for controlling the processing apparatus shown in FIG. 2 used in the process of forming a titanium nitride film that is a material of the first electrode 2 or the second electrode 4 of the present embodiment will be described. FIG. 10 is a schematic diagram of a control device 400 that controls the processing device shown in FIG. The valves 202, 204, 206, and 208 can be controlled to open and close by the control device 400 via the control input / output ports 500, 501, 502, and 503, respectively. The mass flow controllers 203 and 207 can adjust the flow rate by the control device 400 via the control input / output ports 504 and 505, respectively. Further, the opening of the conductance valve 117 can be adjusted by the control device 400 via the control input / output port 506. Further, the temperature of the heater 105 can be adjusted by the control device 400 via the input / output port 507. Further, the rotation state of the substrate support 103 can be adjusted by the control device 400 via the input / output port 508. Further, the frequency and supply power of the DC power source 110 can be adjusted by the control device 400 via the input / output port 509.

本発明の一実施形態においては、制御機構400により、金属窒化物層の少なくとも可変抵抗層3と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上になるように、スパッタリング成膜時に導入するアルゴンガスと窒素ガスの混合比率を制御している。   In one embodiment of the present invention, the control mechanism 400 causes the molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of the metal nitride layer at least in contact with the variable resistance layer 3 to be 1.15 or more, and the film The mixing ratio of argon gas and nitrogen gas introduced at the time of sputtering film formation is controlled so that the density becomes 4.7 g / cc or more.

図11は、制御機構400の内部構成を示した図である。制御機構400は、入力部401、プログラム及びデータを有する記憶部402、プロセッサ403及び出力部404を備え、基本的にはコンピュータ構成であり、図2記載の処理装置を制御している。   FIG. 11 is a diagram illustrating an internal configuration of the control mechanism 400. The control mechanism 400 includes an input unit 401, a storage unit 402 having a program and data, a processor 403, and an output unit 404. The control mechanism 400 basically has a computer configuration and controls the processing apparatus shown in FIG.

また、記憶部402内には、コンピューターに、第1の電極と第2の電極との形成行程を制御させる指令を出すプログラムと、第1の電極と第2の電極との間に可変抵抗層の形成工程を制御させる指令を出すプログラムとが格納されている。   Further, in the storage unit 402, a variable resistance layer is provided between the first electrode and the second electrode, and a program for giving a command for controlling the formation process of the first electrode and the second electrode to the computer. And a program for issuing a command for controlling the forming process.

なお、記憶部402内の具体的なプログラムは、第1の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配向性Xが1.2<Xの範囲である金属窒化物層を形成する工程と、HfとAlを含有する金属膜を形成する工程と、前記金属膜を300℃以上600℃以下の酸素雰囲気中で熱処理により金属酸化物からなる可変抵抗層を形成する工程と、前記第2の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配向性Xが1.2<Xの範囲である金属窒化物層を形成する工程とを実施する個々のプログラムより構成されている。   Note that a specific program in the storage unit 402 is that, as the first electrode, the molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) is 1.15 or more and the film density is 4.7 g / cc or more. And a step of forming a metal nitride layer having a crystal orientation X in the range of 1.2 <X, a step of forming a metal film containing Hf and Al, and the metal film at 300 ° C. or more and 600 ° C. A step of forming a variable resistance layer made of a metal oxide by heat treatment in the following oxygen atmosphere, and, as the second electrode, a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) is 1.15 or more, and And a step of forming a metal nitride layer having a film density of 4.7 g / cc or more and a crystal orientation X in a range of 1.2 <X.

本発明の第1の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。   A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図7は、実施例1に関わる素子構造の断面の概略である。表面に膜厚100nmのシリコン酸化膜を有するシリコン基板11に、図2に示す処理装置において、Ti金属ターゲットを用いてアルゴンガス流量10sccmと窒素ガス流量10sccmにてTiとNのモル比率が1.15以上であり、かつ結晶配向性X1が1.2<Xの範囲を有する窒化チタン膜12を20nm堆積した。その後、窒素雰囲気中で500℃、10minのアニール処理と酸素雰囲気中で500℃、30minのアニール処理を行い、HfとAlを含有する金属酸化物からなる可変抵抗層13を形成した。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the element structure according to the first embodiment. A silicon substrate 11 having a silicon oxide film with a thickness of 100 nm on the surface thereof has a molar ratio of Ti and N of 1. with an argon gas flow rate of 10 sccm and a nitrogen gas flow rate of 10 sccm using a Ti metal target in the processing apparatus shown in FIG. A titanium nitride film 12 having a thickness of 15 or more and a crystal orientation X1 in the range of 1.2 <X was deposited to 20 nm. Thereafter, annealing at 500 ° C. for 10 min in a nitrogen atmosphere and annealing at 500 ° C. for 30 min in an oxygen atmosphere were performed to form the variable resistance layer 13 made of a metal oxide containing Hf and Al.

次に、可変抵抗層13の上に窒化チタン膜12と同様の方法で窒化チタン膜14を堆積した。次に、リソグラフィー技術とRIE(Reactive Ion Etching)技術を用いてTiN膜を所望の大きさに加工した。   Next, a titanium nitride film 14 was deposited on the variable resistance layer 13 by the same method as the titanium nitride film 12. Next, the TiN film was processed into a desired size using a lithography technique and an RIE (Reactive Ion Etching) technique.

堆積した窒化チタン膜の組成は、X線光電子分光(XPS:X−rayPhotoelectron Spectroscopy)法により分析した。また、窒化チタン膜の結晶配向性はX線回折(XRD:X−rayDiffraction)法により分析した。また、膜密度はX線反射率(X−Ray Reflect meter)法により分析した。また、作製した素子の抵抗変化動作は、I−V測定により評価した。   The composition of the deposited titanium nitride film was analyzed by an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method. In addition, the crystal orientation of the titanium nitride film was analyzed by an X-ray diffraction (XRD: X-ray Diffraction) method. The film density was analyzed by the X-ray reflectometer method. Further, the resistance changing operation of the manufactured element was evaluated by IV measurement.

図8に、作製した抵抗変化素子のI−V特性を示す。I−V特性は、素子の窒化チタン膜12を接地し、窒化チタン膜14にそれぞれ、0V→−2V(図中の○のデータに対応)、−2V→0V(図中の△のデータに対応)、0V→2.5V(図中の□のデータに対応)、2.5V→0V(図中の菱形のデータに対応)の電圧を印加して測定した。図8に示されるように、窒化チタン膜14に0V→−2Vの範囲で電圧を印加するとV=−1.9Vにおいて、高抵抗状態から低抵抗状態に変化(Set動作)する状態(セット状態)による電流値の増加が確認できる。次に、窒化チタン膜14に0V→2.5Vの範囲で電圧を印加するとV=2.2Vにおいて低抵抗状態から高抵抗状態に変化(Reset動作)する状態(リセット状態)による電流値の減少が確認できる。このように、本発明の一実施形態の窒化チタン膜を有する抵抗変化素子において、低抵抗状態と高抵抗状態におけるOn/0ff比が103以上の値を有する抵抗変化素子が形成できることが示される。   FIG. 8 shows IV characteristics of the manufactured variable resistance element. The IV characteristics are as follows: the titanium nitride film 12 of the device is grounded, and the titanium nitride film 14 has 0V → −2V (corresponding to the data of ○ in the figure) and −2V → 0V (indicated by the data of Δ in the figure). Corresponding), 0V → 2.5V (corresponding to the data of □ in the figure), 2.5V → 0V (corresponding to the diamond data in the figure) were applied and measured. As shown in FIG. 8, when a voltage is applied to the titanium nitride film 14 in the range of 0V → −2V, the state changes from the high resistance state to the low resistance state (Set operation) at V = −1.9V (set state). ) Increase in current value can be confirmed. Next, when a voltage is applied to the titanium nitride film 14 in the range of 0V → 2.5V, the current value decreases due to the state (reset operation) that changes from the low resistance state to the high resistance state at V = 2.2V (Reset operation). Can be confirmed. Thus, in the variable resistance element having the titanium nitride film of one embodiment of the present invention, it is shown that a variable resistance element having an On / 0ff ratio of 103 or more in the low resistance state and the high resistance state can be formed.

図9に、作製した抵抗変化素子に、正負のパルス(+3Vを0.1sec、−2.5Vを0.1sec印加するパルス、図9参照)を交互に連続して印加し、抵抗変化現象の耐久性(エンデュランス特性)を評価した結果を示す。図9には、パルスの印加回数が200回までの測定結果が示されている。図に示されるように、高抵抗状態と低抵抗状態は印加パルスに対応して変化し、200回のパルスを印加しても高抵抗状態の値(1MΩ)と低抵抗状態の値(300Ω)が維持されていることが確認できる。このように、本発明の一実施形態の窒化チタン膜を有する抵抗変化素子において、パルスによる連続動作においても素子の劣化に伴う抵抗値の変化は確認できなかった。尚、図9は、200回のパルスを印加した後に、抵抗変化現象が見られなくなったことを意味しているのではなく、この後も素子は安定して抵抗変化を示した。   In FIG. 9, positive and negative pulses (+3 V applied for 0.1 sec, −2.5 V applied for 0.1 sec, see FIG. 9) are alternately and continuously applied to the manufactured variable resistance element. The result of evaluating durability (endurance characteristics) is shown. FIG. 9 shows measurement results up to 200 times of pulse application. As shown in the figure, the high resistance state and the low resistance state change corresponding to the applied pulse, and even when 200 pulses are applied, the value in the high resistance state (1 MΩ) and the value in the low resistance state (300Ω) Can be confirmed. As described above, in the variable resistance element having the titanium nitride film according to the embodiment of the present invention, a change in resistance value due to deterioration of the element could not be confirmed even in continuous operation by a pulse. Note that FIG. 9 does not mean that the resistance change phenomenon is not observed after 200 pulses are applied, and the element showed a stable resistance change after this.

また、上記実施例では、可変抵抗層3の形成方法としてHfとAlの金属積層膜を用いる場合を述べたが、可変抵抗層3の形成工程としてHfターゲット106とAlターゲット106のコスパッタリングを用いてHfとAlを含有する金属膜を堆積した後、酸素雰囲気中で300℃〜600℃のアニール処理を実施する方法を用いても上記実施例と同様の効果が得られることを確認した。また、可変抵抗層3の形成工程として、Hfターゲット106とAlターゲット106を酸素からなる反応性ガスと不活性ガスの混合雰囲気下においてマグネトロンスパッタする工程を用いても上記実施例と同様の効果が得られることを確認した。   In the above-described embodiment, the case where the Hf and Al metal laminated film is used as the method of forming the variable resistance layer 3 is described. However, the co-sputtering of the Hf target 106 and the Al target 106 is used as the variable resistance layer 3 forming step. After depositing a metal film containing Hf and Al, it was confirmed that the same effect as in the above example could be obtained even by using a method of annealing at 300 ° C. to 600 ° C. in an oxygen atmosphere. Further, the same effect as in the above embodiment can be obtained by using a step of magnetron sputtering the Hf target 106 and the Al target 106 in a mixed atmosphere of a reactive gas and an inert gas made of oxygen. It was confirmed that it was obtained.

また、上記実施例では、可変抵抗層3材料としてHfとAlを含有する金属酸化物を用いる場合を述べたが、可変抵抗層3としてNi、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属酸化物膜およびその積層膜を用いても上記実施例と同様の効果が得られることを確認した。   In the above embodiment, the case where a metal oxide containing Hf and Al is used as the material of the variable resistance layer 3 is described. However, Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb are used as the variable resistance layer 3. It was confirmed that even when a metal oxide film selected from at least one of W, Co, and a laminated film thereof was used, the same effect as in the above example was obtained.

また、可変抵抗層3の形成工程としてNi、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属膜およびその積層膜を堆積した後、酸素雰囲気中で300℃〜600℃のアニール処理を行っても同様の効果が得られる抵抗変化素子が形成できることを確認した。また、可変抵抗層3の形成工程としてNi、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属ターゲットを酸素からなる反応性ガスと不活性ガスの混合雰囲気下においてマグネトロンスパッタする工程を用いても上記実施例と同様の効果が得られることを確認した。   Further, as a step of forming the variable resistance layer 3, after depositing a metal film selected from at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W or Co and a laminated film thereof, an oxygen atmosphere It was confirmed that a resistance change element capable of obtaining the same effect can be formed even when annealing at 300 ° C. to 600 ° C. is performed. In addition, as a step of forming the variable resistance layer 3, a metal target selected from at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W, or Co is used as a reactive gas composed of oxygen and an inert gas. It was confirmed that the same effect as in the above example could be obtained even using the magnetron sputtering step in the mixed atmosphere.

Claims (18)

第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含む不揮発性記憶素子において、
前記第1の電極と前記第2の電極の少なくともどちらか一方の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極であり、
前記金属窒化物層の少なくとも前記可変抵抗層と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であることを特徴とする不揮発性記憶素子。
A first electrode;
A second electrode;
In a nonvolatile memory element including a variable resistance layer having a resistance value that changes between two different resistance states sandwiched between the first electrode and the second electrode.
At least one of the first electrode and the second electrode is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N;
The molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of at least a portion in contact with the variable resistance layer of the metal nitride layer is 1.15 or more, and the film density is 4.7 g / cc or more. A nonvolatile memory element.
前記金属窒化物層の少なくとも前記可変抵抗層と接する部分の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲を有していることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein crystal orientation X of at least a portion of the metal nitride layer in contact with the variable resistance layer has a range of 1.2 <X. 前記可変抵抗層がNi、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つから選択される金属酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory according to claim 1, wherein the variable resistance layer includes a metal oxide selected from at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W, and Co. Memory element. 前記可変抵抗層がHfとAlを含有する金属酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the variable resistance layer is a metal oxide containing Hf and Al. 前記2つの異なる抵抗状態が、低抵抗から高抵抗に変化するリセット状態と高抵抗から低抵抗に変化するセット状態であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性記憶素子。   2. The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the two different resistance states are a reset state in which the low resistance changes to a high resistance and a set state in which the high resistance changes to a low resistance. 前記不揮発性記憶素子が抵抗変化型メモリーであることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the nonvolatile memory element is a resistance change type memory. 前記抵抗変化型メモリーがReRAMであることを特徴とする請求項6記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 6, wherein the resistance change type memory is a ReRAM. 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含む不揮発性記憶素子の製造方法であって、
前記第1の電極と前記第2の電極の少なくともどちらか一方の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極であり、
前記金属窒化物層の少なくとも前記可変抵抗層と接する部分のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.1以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配向性Xが1.2<Xの範囲である金属窒化物層を形成する工程を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子の製造方法。
A first electrode;
A second electrode;
A method for manufacturing a nonvolatile memory element, comprising: a variable resistance layer having a resistance value that changes between two different resistance states sandwiched between the first electrode and the second electrode,
At least one of the first electrode and the second electrode is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N;
Wherein at least the contact with the variable resistance layer portion of the Ti and N in the molar ratio of the metal nitride layer (N / Ti ratio) is not less 1.1 5 or more, and is a film density 4.7 g / cc or more, and A method for manufacturing a nonvolatile memory element, comprising a step of forming a metal nitride layer having a crystal orientation X in a range of 1.2 <X.
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含み、かつ前記第1の電極と前記第2の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極である不揮発性記憶素子の製造方法であって、
前記第1の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、
前記可変抵抗層として、Ni、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つを含む酸化物を形成する工程と、
前記第2の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子の製造方法。
A first electrode;
A second electrode;
A variable resistance layer sandwiched between the first electrode and the second electrode, the resistance value of which varies between two different resistance states, and the first electrode and the second electrode are A method for manufacturing a nonvolatile memory element that is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N,
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the first electrode;
Forming an oxide containing at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W or Co as the variable resistance layer;
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the second electrode; A method for manufacturing a nonvolatile memory element, comprising:
前記第1電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であり、前記第2電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であることを特徴とする請求項9記載の不揮発性記憶素子の製造方法。   The crystal orientation X of the metal nitride layer of the first electrode is in the range of 1.2 <X, and the crystal orientation X of the metal nitride layer of the second electrode is in the range of 1.2 <X. The method for manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 9. 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含み、かつ前記第1の電極と前記第2の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極である不揮発性記憶素子の製造方法であって、
前記第1の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、
Ni、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Zn、Nb、WまたはCoの少なくとも一つからなる金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を300℃以上600℃以下の酸素雰囲気中で熱処理により金属酸化物からなる可変抵抗層を形成する工程と、
前記第2の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、を含むことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
A first electrode;
A second electrode;
A variable resistance layer sandwiched between the first electrode and the second electrode, the resistance value of which varies between two different resistance states, and the first electrode and the second electrode are A method for manufacturing a nonvolatile memory element that is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N,
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the first electrode;
Forming a metal film made of at least one of Ni, Ti, Ta, Hf, Zr, V, Zn, Nb, W or Co;
Forming a variable resistance layer made of a metal oxide by heat treatment of the metal film in an oxygen atmosphere of 300 ° C. or more and 600 ° C. or less;
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the second electrode; A method for manufacturing a nonvolatile memory device, comprising:
前記第1の電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であり、前記第2の電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であることを特徴とする請求項11記載の不揮発性記憶装置の製造方法。   The crystal orientation X of the metal nitride layer of the first electrode is in the range of 1.2 <X, and the crystal orientation X of the metal nitride layer of the second electrode is in the range of 1.2 <X. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 11, wherein: 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟持された、2つの異なる抵抗状態に抵抗値が変化する可変抵抗層とを含み、かつ前記第1の電極と前記第2の電極が、少なくともTiとNを含有する金属窒化物層を含む電極である不揮発性記憶素子の製造方法であって、
前記第1の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、
HfとAlを含有する金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を300℃以上600℃以下の酸素雰囲気中で熱処理により金属酸化物からなる可変抵抗層を形成する工程と、
前記第2の電極として、TiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上である金属窒化物層を形成する工程と、を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子の製造方法。
A first electrode;
A second electrode;
A variable resistance layer sandwiched between the first electrode and the second electrode, the resistance value of which varies between two different resistance states, and the first electrode and the second electrode are A method for manufacturing a nonvolatile memory element that is an electrode including a metal nitride layer containing at least Ti and N,
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the first electrode;
Forming a metal film containing Hf and Al;
Forming a variable resistance layer made of a metal oxide by heat treatment of the metal film in an oxygen atmosphere of 300 ° C. or more and 600 ° C. or less;
Forming a metal nitride layer having a molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of 1.15 or more and a film density of 4.7 g / cc or more as the second electrode; A method for manufacturing a nonvolatile memory element, comprising:
前記第1の電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であり、前記第2の電極の金属窒化物層の結晶配向性Xが1.2<Xの範囲であることを特徴とする請求項13記載の不揮発性記憶素子の製造方法。   The crystal orientation X of the metal nitride layer of the first electrode is in the range of 1.2 <X, and the crystal orientation X of the metal nitride layer of the second electrode is in the range of 1.2 <X. The method for manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 13, wherein the method is provided. 前記金属窒化物層を形成する工程が、
真空容器内で、窒素からなる反応性ガスと不活性ガスの混合雰囲気下においてTiターゲットをマグネトロンスパッタする工程であり、少なくとも前記可変抵抗層と接する領域の金属窒化物層を形成する工程では、金属窒化物層のTiとNのモル比率(N/Ti比)が1.15以上であり、かつ膜密度が4.7g/cc以上であり、かつ結晶配向性Xが1.2<Xの範囲を満たすように反応性ガスと不活性ガスの混合比を設定することを特徴とする請求項8に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
Forming the metal nitride layer comprises:
In a vacuum vessel, a process of magnetron sputtering a Ti target in a mixed atmosphere of a reactive gas composed of nitrogen and an inert gas, and forming a metal nitride layer at least in a region in contact with the variable resistance layer, The molar ratio of Ti and N (N / Ti ratio) of the nitride layer is 1.15 or more, the film density is 4.7 g / cc or more, and the crystal orientation X is in the range of 1.2 <X. The method for manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 8, wherein a mixing ratio of the reactive gas and the inert gas is set so as to satisfy the above.
前記2つの異なる抵抗状態が、低抵抗から高抵抗に変化するリセット状態と高抵抗から低抵抗に変化するセット状態であることを特徴とする請求項8に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。   9. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 8, wherein the two different resistance states are a reset state in which a low resistance is changed to a high resistance and a set state in which the resistance is changed from a high resistance to a low resistance. 前記不揮発性記憶素子が抵抗変化型メモリーであることを特徴とする請求項8に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。   The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 8, wherein the nonvolatile memory element is a resistance change type memory. 前記抵抗変化型メモリーがReRAMである事を特徴とする請求項17記載の不揮発性記憶素子の製造方法。   The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 17, wherein the resistance change type memory is a ReRAM.
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